基于剪切振动模态的压电复合材料及其换能器研究

Piezoelectric composite is a key sensing element of modern underwater acoustics detection, ultrasonic testing and energy harvest. It can be widely used in civil and military. In this research, the shear mode of piezoelectric material which has more efficiency in energy transfer, will be used in a novel piezoelectric composite. So that it can increase the piezoelectricity of composite. The effective circuit model of shear mode will be setup. This kind of fundamental research on shear mode will indicate the significant principal of energy transfer in piezoelectric material. Meanwhile, a transition layer made by resin epoxy will be induced to transfer the shear mode vibration of piezoelectric material into thickness vibration. This kind of transition layer will increase the vibration area, and also keep composite has low acoustic impedance, so that the composite can emit sound wave at high level. The above researches will help to break through the bottleneck of conventional piezoelectric material working at d33 mode. It can increase the electeromechanical coupling coefficients and piezoelectric constants, and it will lay the foundation for increasing the performance of underwater transducers, ultrasonic test and energy harvest.

压电复合材料是现代水声探测、超声无损检测以及能量收集领域中的关键敏感元件，在军用及民用领域有较强的应用前景。本项目拟采用压电材料的剪切振动模态，进行新型压电复合材料的研究，探索进一步提高复合材料压电性能的方法，证明压电材料的剪切振动模态具有更高的能量转化效率。本项目拟通过对压电材料的剪切振动模态进行深入研究，建立剪切振动模态的等效电路模型，对阐明剪切振动机理，揭示压电材料中能量转换规律有重要意义。同时，本项目拟通过设计具有特殊结构的环氧树脂过渡层，将压电陶瓷产生的剪切振动转化为复合材料的厚度振动，以此来满足提高声辐射面积的要求，进而提高复合材料压电性。环氧树脂的引入又能保证复合材料具有低声阻抗的特点。通过上述研究，突破传统复合材料以纵向伸缩模态为基础的结构设计，进而在提升机电耦合系数、提高压电性等方面有所创新，为提高水声换能器、超声探头以及压电俘能器等奠定基础。

压电陶瓷材料是现代水声探测、超声无损检测以及压电变压器领域中的关键敏感元件，在军用及民用领域有较强的应用前景。本项目从压电材料的剪切振动模态入手，深入分析了剪切振动模态的机电耦合随尺寸参数变化规律。并首次观察到通过合理的尺寸调节，剪切振动的高阶振动模态可以达到与一阶振动模态相当的机电耦合系数。本项目合理设计剪切振动压电陶瓷块的分布，并在适当位置引入梯形匹配层，将压电陶瓷产生的剪切振动转化为匹配层的厚度振动，形成一种新型压电复合材料。以这种复合材料作为压电阵子设计了两种水声换能器，第一种换能器发射电压响应可达163dB（62kHz），在89 kHz时，d15剪切振动模态引起的发射电压响应达到160.9dB。工作频率范围在37kHz-68kHz，带宽达到31kHz。第二种换能器在频率101kHz处产生158.3dB的发射电压响应峰值。在82kHz到113kHz范围内其发射电压响应起伏小于6dB。在谐振频率72kHz处接收灵敏度达到最大值-195.7dB，在66kHz到114kHz频率范围内，其接收电压灵敏度为-196dB（起伏3 dB）。很好的满足了项目最初的设计要求。本项目还设计了基于压电陶瓷剪切振动的压电变压器。变压比最高可达34.1。在负载5.1kΩ时，谐振频率为110.56kHz时，效率达到最大值为91%。该型变压器具有简单的结构，且同时具有高的变压比以及传输效率。通过上述研究，突破传统复合材料以纵向伸缩模态为基础的结构设计，进而在提升机电耦合系数、提高压电性等方面有所创新，为提高水声换能器、超声探头以及压电变压器等奠定基础。